Rekuperácia tepla z kanalizácie v bytovom dome

Konečne aj príklad zo Slovenska ukazuje, ako možno zabezpečiť prípravu a distribúciu teplej vody pri veľmi nízkej spotrebe energie.

Na ohriatie studenej vody na teplú (z teploty 10 na 50 °C) je potrebná tepelná energia na úrovni 46,5 kWh/m³. S menším množstvom tepelnej energie sa voda ohriať nedá, je to dané fyzikálnymi zákonmi.

V praxi sa však často stretávame so sústavami centralizovaného zásobovania teplou vodou, kde sa spotrebuje na prípravu teplej vody výrazne viac tepla, pretože pri jej výrobe a distribúcii dochádza k stratám – bežné spotreby sú tak dokonca na úrovni viac ako 100 kWh/m³.

Vývojový tím našej spoločnosti hľadal možnosti a spôsob, ako dosiahnuť hodnotu spotreby tepla na ohrev vody výrazne pod hranicou 46 kWh/m³, čo by v podstate nemalo byť možné. Po niekoľkých rokoch vývoja, skúšok a prepočtov dnes vieme zabezpečiť ohrev a distribúciu teplej vody so spotrebou energie pod 19 kWh/m³!

Princíp

Nie, nevymysleli sme perpetuum mobile, len sme našli a využili zdroj tepelnej energie, ktorý je nevyčerpateľný a teplo z neho je bezplatne k dispozícii. Na získanie tohto zdroja spotrebujeme len pomerne malé množstvo elektrickej energie na jeho „prečerpanie“ do sústavy ohrevu vody alebo do vykurovacej sústavy.

Teplo, ktoré v skutočnosti využijeme na ohrev vody, je zadarmo, preto táto energia nefiguruje v žiadnej bilancii. Ľudia nájdu vo vyúčtovaniach len spotrebu elektriny, ktorú potrebujeme na zachytenie tepla, takže to vyzerá, akoby sme pripravovali teplú vodu len so spotrebou elektriny menšou ako 19 kWh/m³. Kde sme tento zdroj našli? Ide o kanalizáciu, ktorá z objektov odnáša veľké množstvo tepla.

Vstupné údaje – ako na to?

Do akej miery má zmysel zaoberať sa touto problematikou? Koľko tepelnej energie sa ukrýva v kanalizácii? Koľko tepla sa dá ušetriť zachytením tepla z kanalizácie? Keď sme sa tomu pred niekoľkými rokmi začali venovať, nenašli sme na naše otázky nikde žiadne odpovede.

Nepomohla nám odborná literatúra, internet ani žiadne štúdie. Konzultácie s odborníkmi boli len na úrovni odhadov či predpokladov. Technické riešenia efektívnej rekuperácie tepla z kanalizácie v oblasti objektov sme u nás ani v zahraničí nenašli.

Riešenie

Naším riešením je inštalácia rekuperačného zariadenia na spätné získavanie tepla z kanalizácie. Základný princíp spočíva v umiestnení tepelného výmenníka do systému domovej kanalizácie, a to pred zaústením do verejnej kanalizácie.

Pomocou výmenníka a ďalšieho technologického zariadenia sa odoberá teplo z odchádzajúcej odpadovej vody, pričom na druhej strane zariadenia sa zachytené teplo využíva na prípravu teplej vody.

Keď zariadenie pripraví dostatočne teplú vodu, prestane objekt odoberať teplú vodu z centrálneho zdroja a do domu sa začne dodávať voda ohriata odpadovým teplom. Keď sa teplá voda pripravená ohrevom z odpadu minie, prepne sa dodávka teplej vody znovu na centrálny zdroj tepla.

Čo sa dosiahlo?

Týmto riešením sa získalo viac výhod.

Zachytenie veľkého množstva odpadového tepla

V rekuperačnom zariadení sa zachytáva dostatočné množstvo tepla potrebné na ohrev vody pre daný bytový dom, ktoré by inak uniklo z domu bez využitia. Do kanalizácie totiž z domu neodchádza len teplo, ktoré prišlo prostredníctvom teplej vody.

Do kanalizácie sa dostane aj teplo, ktoré prišlo do objektu vykurovacou sústavou a prenáša sa ohrievaním studenej vody v nádržkách toaliet a ich následným spláchnutím spolu s naším biologickým teplom v podobe exkrementov. V kanalizácii tiež skončí elektrická energia, ktorá sa v práčke alebo umývačke premení na teplú odpadovú vodu.

Legislatívne priechodné riešenie na zabezpečenie ohrevu vody

Výstavba akýchkoľvek lokálnych zdrojov tepla v mestách s centrálnym dodávateľom tepla nie je možná, zákon o tepelnej energetike to neumožňuje.

Rekuperačné zariadenie ale nie je zdroj tepla – je to „zachytávač“ tepla, ktoré obyvatelia domu už raz nakúpili, tepla, ktoré je ich majetkom, pri jeho inštalácii a schvaľovacom procese v rámci stavebných povolení preto nevznikajú žiadne legislatívne prekážky.

Zhodnotenie úsporných opatrení obyvateľov dotknutého objektu

Ak sa v objekte pripojenom na centrálny zdroj tepla v sústave s viacerými objektmi vykoná vyregulovanie a zateplenie rozvodov teplej vody, úspory z toho opatrenia sa rozdelia v rámci všetkých objektov v okruhu zdroja tepla.

Pri inštalácii nášho zariadenia sa však úspory zo zateplenia a vyregulovania rozvodov TV v objekte prejavia v plnom rozsahu v zníženej spotrebe teplej vody dodávanej z centrálneho zdroja tepla do objektu a profitujú z nich len obyvatelia tohto objektu – nie obyvatelia celého okruhu zdroja tepla.

Ochrana životného prostredia v mestách – znižovanie teploty

Zachytením tepla z kanalizácie sa obmedzuje ohrievanie ovzdušia miest. Kanalizačná sústava predstavuje obrovský vykurovací kolektor, ktorý vyhrieva (hlavne v zimnom období) podzemie miest. Prečo sa v mestách sneh neudrží, ale v okolí miest je v zime pekne bielo?

Prečo zmizli potkany z okolia objektu, kde sme začali zachytávať teplo z kanalizácie? To sú otázky, na ktoré už vieme odpovedať. Tento kanalizačný „vykurovací kolektor“ dokážeme vychladiť, čím sa ochladí aj podzemie miest, pričom odobraté teplo z kanalizácie zostane v objektoch, kde sa opakovane využije.

Ochrana ovzdušia a výrazné znižovanie produkcie CO₂

Zachytené teplo, ktoré opätovne vraciame do systému ohrevu vody a vykurovania, netreba produkovať spaľovaním palív v teplárňach a kotolniach, čím sa výrazne znižuje produkcia látok znečisťujúcich ovzdušie.

Výsledky ročnej bilancie

Dnes sa už vieme podeliť o skúsenosti z ročnej prevádzky rekuperačného zariadenia na získavanie tepla z kanalizácie a na ohrev vody v bytovom dome (88 bytov) v Košiciach. Išlo o úplne prvú inštaláciu takéhoto rozsahu v bytovom dome, ktorú sme zrealizovali v období od júna do septembra 2018.

V októbri sme uviedli zariadenie do skúšobnej prevádzky a začali zbierať prvé údaje z meračov. Konečne sme mohli začať porovnávať skutočnosť s našimi predpokladmi a výpočtami. Keďže išlo o prototyp zariadenia, vyladenie technológie nám trvalo sedem mesiacov.

Už počas tohto času sme boli schopní zabezpečiť teplom z kanalizácie ohrev vody na 88,2 %. Zvyšných 11,8 % teplej vody sa do objektu dodalo štandardným spôsobom od dodávateľa tepla. Počas nasledujúcich piatich mesiacov sme zvýšili podiel dodanej teplej vody ohriatej odpadovým teplom na 99,5 %.

Dnes už vieme garantovať dodávku teplej vody ohriatej odpadovým teplom z kanalizácie na 100 %. Čo sa týka energetickej náročnosti zachytávania tepla z kanalizácie, za sedem mesiacov skúšobnej prevádzky sme dosiahli priemernú spotrebu elektrickej energie 21,8 kWh/m³, v nasledujúcich piatich mesiacoch sme ju zastabilizovali na priemernej hodnote 18,6 kWh/m³.

Elektrická energia je pritom spotrebovaná len na „prečerpávanie“ tepla z kanalizácie do ohrievanej vody, nevyužíva sa na priamy ohrev vody. Keď to porovnáme s predchádzajúcim obdobím, keď dodávateľ tepla dodával do objektu teplú vodu pri spotrebe tepla na jej ohrev a distribúciu na úrovni 121 kWh/m³, dosahujeme energetickú úsporu 84,63 %.

Keď však prepočítame spotrebovanú energiu na ohrev vody na primárnu energiu, bilancia sa už nejaví až taká oslnivá. Faktor primárnej energie je totiž pre teplárne stanovený zvláštnym spôsobom.

Ak počítame s tým, že v teplárni sa pri spálení plynu (f_p = 1,36) a uhlia (f_p = 1,40) produkuje približne polovica elektrickej energie a polovica tepla, je zvláštne, že dva produkty toho istého výrobného procesu, ktoré sú oba pri výrobe neoddeliteľne prítomné, sú zaťažené v konkrétnom prípade takýmito koeficientmi primárnej energie: TEPLO f_p= 0,46; ELEKTRINA f_p= 2,764.

Zohľadnením uvedených koeficientov sa v minulosti dosiahla energetická náročnosť ohrevu vody z centrálneho zdroja tepla na úrovni 55,66 kWh/m³, teraz dosahujeme hodnotu 51,41 kWh/m³ – aj napriek umelému zvýhodňovaniu teplární pri určovaní faktora primárnej energie sme tak znížili spotrebu primárnej energie o 7,6 %.

Aj vo vzťahu k životnému prostrediu je naše riešenie skutočne výnimočné. Oproti pôvodnému systému dodávky TV sme produkciu CO₂ znížili z pôvodných 76,19 kg/m³ ohriatej vody na 5,45 kg/m³, čo predstavuje úsporu produkcie CO₂ na úrovni 92,8 %.

Pre väčšinu investorov je, samozrejme, najzaujímavejšia téma finančnej úspory. Tu sa však výsledky nedajú zovšeobecňovať. Každý zdroj tepla má rôznu efektivitu výroby a distribúcie teplej vody, takisto rôznu cenu tepla, takže výsledkom je výrazný rozdiel v platbách, ktoré ľudia zaplatia za ohrev vody.

Bežne sa stretávame s objektmi, kde je cena za ohrev vody vyššia ako 13 €/m³, ale zaevidovali sme aj objekty, kde bola voda ohrievaná za cenu nižšiu ako 7 €/m³. Návratnosť investície teda treba vypočítať pre každý objekt individuálne. Na ilustráciu uvádzame výpočtovú tabuľku (tab. 1) so základnými údajmi, s ktorými sme vstupovali do projektu.

Oproti údajom v tab. 1 dnes už dosahujeme 100-percentné krytie dodávky teplej vody z rekuperátora a nižšiu spotrebu elektrickej energie, čiže výsledné čísla sú ešte priaznivejšie. Upozorňujeme, že stav finančných úspor uvedený v tab. 1 nastane až po dvoch rokoch od uvedenia do prevádzky.

Prvé dva roky po vykonaní akéhokoľvek úsporného opatrenia na zníženie spotreby tepla sa v podmienkach našej legislatívy úspora nedá dosiahnuť. To sa týka všetkých úsporných opatrení (zateplenie, regulácia, rekuperácia).

Fixná zložka ceny tepla sa platí podľa spotreby tepla pred dvomi rokmi, čiže aj keby sa znížila spotreba tepla na nulu, fixnú zložku bude odberateľ platiť v plnej výške ešte dva roky. V konkrétnom prípade nášho objektu tvorí fixná zložka dve tretiny platby za teplo, ktorú treba zaplatiť aj v prípade nulového odberu tepla.

Je to dané platnou legislatívou, ktorá tak garantuje príjmy dodávateľom tepla ešte na ďalšie dva roky, čo sa dá komentovať len veľmi kriticky a čo považujeme za vážnu tému na diskusiu pre širokú odbornú verejnosť. Napriek tejto skutočnosti je plánovaná návratnosť investície v našej prvej realizácii v horizonte do siedmich rokov.

Záver

Naša prvá inštalácia a ročná prevádzka zariadenia na rekuperáciu tepla z kanalizácie v bytovom dome v Košiciach nám potvrdila, že sme sa vydali správnym smerom.

Merania potvrdili, že v podzemí našich miest je obrovský rezervoár tepla, z ktorého sa dá čerpať porovnateľné množstvo tepla, aké produkujú teplárne, kotolne a iné zdroje tepla v týchto mestách. Je to teplo, ktoré uniká z budov nekontrolovaným spôsobom v množstve, ktoré aj nás prekvapilo.

Pri súčasnej realizácii ďalšieho bytového domu je naším cieľom zabezpečiť odpadovým teplom, ktoré zachytíme v rekuperátore, ohrev vody v plnom rozsahu a dodať teplo do vykurovacej sústavy v množstve 25 % z ročnej spotreby tepla. Som si istý, že budúci rok budeme v tomto časopise prezentovať ešte zaujímavejšie čísla.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 1/2020.